автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы анализа, расчета и прогнозирования потребления электроэнергии в горнорудной промышленности

А

Государственный комитет СССР по народному образованию

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Игорь Евгеньевич

УДК 621.311.4: 621.316.1

МЕТОДЫ АНАЛИЗА, РАСЧЕТА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ГОРНОРУДНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1991

■Диссертационная работа выполнена в Северо-Кавказском ордена Дружбы народов горно-металлургичеоком институте и Московском ордена Трудового -Красного Знамени ¡горном институте.

Научный консультант

докт. техн. наук, шроф. ЩУЦКИЙ В. И.

Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. МЕНЬШОВ Б. Г.,

заслуженный деятель науки и техники РС'ФСР, докт. техн. наук, проф. ШЕВЧЕНКО В. В.,

докт. техн. нау|к, проф. ЕРЫГИИ А. Т.

Ведущее предприятие — Институт проблем энергосбережения АН УССР.

Защита диссертации состоится « . » 1'. 1991 г.

в /Д час. на заседании специализированного совета

Д-053.12.04 при Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проапект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского горного института.

Автореферат разослан « А"^?» . . . 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д-053.12.04 канд. техн. наук, проф. ДЬЯКОВ В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Коренная перестройка на современном этапе экономики народного хозяйства и повышение ее эффективности связаны не только с ростом производительности труда, по .и с уменьшением материалоемкости, удельного энергопотребления, фондоемкости, переводом отраслей па рельсы 'интенсификации.

Интенсификация производства требует 'проведения на каждом предприятии всех отраслей активной ресурсо- и энергосберегающей политики. Цветная металлургия является одной из ведущих отраслей народного хозяйства, второй по объему потребления энергетических ресурсов и первой по уровню энерговооруженности.

В 1985 г. потребление электроэнергии по цветной металлургии достигло 121 млрд. кВт-ч, или 15,2% общего потребления электроэнергии в промышленности. За .период 1985— 1990 гг. три ожидаемом реете потребления электроэнергии па 11,5% общее потребление электроэнергии составило около 135 млрд. .кВт - ч.

Горнорудная промышленность характеризуется следующими основными производственно-энергетическими .показателями: общий годовой объем перерабатываемой горной массы — 7 млрд. т, энергетическая доля стоимости добычи ■руды — 29%, затраты на добычу ,и обогащение руц— 67%, численность производственно-промышленного персонала — 70%, стоимость основных фондов — 65%, объем выпускаемой отраслью продукции— 18%.

Потребление электроэнергии в горном производстве составляет более 7% общего потребления по отрасли, по отдельным подотраслям распределяется следующим образом (в%).' золотодобывающая — 46,4, медная— 12,2, свинцово-цинковая — 11,9, никель-кобальтовая — 11,5, алюминиевая — 9,5. Суммарное потребление электроэнергии в горном производстве этих подотраслей составляет 91,5% общего потребле-ления в горном производстве цветной металлургии.

Основой горнорудной промышленности являются горнообогатительные комбинаты (ГОКи), в которые в общем слу-

чае могут входить следующие подсистемы: рудники подземных горных работ, карьеры открытых горных работ и обогатительные фабрики. Основные производственно-энергетические показатели ¡по горнорудной промышленности цветной металлургии подтверждают, что в отрасли наиболее трудоемкими и капиталоемкими являются добыча и обогащение руд. Данные свидетельствуют, что в горнорудной промышленности основные показатели производственной деятельности, (Включая использование электроэнергии, требуют дальнейшего совершенствования и указывают на важность и актуальность решения задач в этой области.

В связи с изложенным теоретическое обобщение существующих и разработка на основе системного подхода новых .методов анализа, расчета и прогнозирования потребления электроэнергии в горнорудной промышленности, на базе которых решается имеющая важное народнохозяйственное значение актуальная научная проблема — повышение эффективности использования электроэнергии за счет внедрения рекомендаций по уменьшению удельного расхода электроэнергии, »снижению максимальной нагрузки, сокращению годовых приведенных затрат на систему электроснабжения, повышению надежности 'систем электроснабжения, интенсификации работы основного технологического оборудования, являются актуальными, а результаты работы могут быть квалифицированы как определенный вклад в развитие теории электрификации горного производства.

Связь темы диссертации с государственными научными программами

Диссертационная работа выполнена:

в соответствии с отраслевой научно-техннчеокой программой «Разработать способы и средства повышения эффективности использования электрической энергии в торном производстве цветной металлургии» (Головная организация — институт ВНИПИгорцветмет 1985 г., утверждена первым заместителем министра цветной металлургии Л. -В. Козловым 15.11.Л985 г.);

■по утвержденным темам комплексной целевой программы МВ и ССО СССР «Экономия электроэнергии» на 1982— 1990 гг. (приказ МВ и ССО СССР № 703 от 14.06.82 г., п. 2.5.5. Название темы: «Прогнозирование и нормирование элоктропотребления и сокращения потерь электроэнергии по горпо-эбогатптсльным комбинатам МЦМ СССР». Приказ МВ и ССО СССР № 101 от 09.02.87 г., п. 05.13. Название темы: «Расчет, нормирование и прогнозирование основных показателей рационального использования электроэнергии в горнорудной промышленности»). Диссертационная работа являет-

ся составной частью проведенных по данной тематике исследований—отчеты СКГМИ: 76037990 (1977 г.), 78029999 ('1980 г.), 02830039829 (1982 г.) 01820084284 (1983 г.), 01820090101 (1985 г.), 01840017301 (1986 г.), 01880000811 (1986 г.), 01860123087 (1987 г.), 01860123083 (1988 г.), 01880009646 (1990 г.), 01900024197 (1990 г.).

Целью работы являются установление совокупности основных зависимостей и закономерностей потребления электроэнергии в горнорудной промышленности .и разработка на и.х основе новой .концепции анализа, расчета и прогнозирования э'лектропотреблепия, позволяющей повысить 'эффективность использования электроэнергии в горнорудной промышленности цветной металлургии за счет уменьшения удельного расхода электроэнергии, снижения максимальной нагрузки, оптимизации и повышения надежности систем электроснабжения, интенсификации работы основного технологического оборудования.

Идея работы заключается в том, что повышение эффективности использования электроэнергии в горнорудной промышленности достигался па основе реализации новой концепции анализа, расчета и прогнозирования электропотреб-лепия, базирующейся на системном подходе с использованием профессионально-логических и функциональных методов исследования процесса электропотребления.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция анализа, расчета и прогнозирования потребления электроэнергии в горнорудной промышленности, основанная на системном подходе, использовании эвристических и математических методов исследования и учитывающая в совокупности основные элементы, и связи производственно-энергетической системы горнодобывающих предприятий.

2. Метод, основанный на морфологическом описании 'производственно-энергетической системы ГОКа и экспертных оценках потребления электроэнергии и предложенный для профессионально-логического анализа электроэнергетических и производственных показателей горнодобывающих предприятий.

3. Метод, учитывающий степень влияния производственных показателей подсистем ГОКа па потребление электроэнергии и предложенный для кластерного анализа экспертных оценок электропотреблення горнодобывающих предприятия».

4. Математическая модель, учитывающая важнейшие производственно-экономические и энергетические показатели ГОКа и предложенная для расчета и прогнозирования индексов обобщенного .показателя эффективности использования электроэнергии на горнодобывающих предприятиях.

5'. Метод, основанный на выявленной закономерности ано-■морфозы нормального закона распределения максимальных «агрузок — наличии стабильного отрицательного значения коэффициента асимметрии, и ¡предложенный для расчета и прогнозирования максимальной нагрузки на горнодобывающих предприятиях.

6. Корреляционно-регрессионные зависимости потребления электроэнергии от технологических показателей добычи и переработки руды, позволяющие установить научно обоснованные нормы удельного расхода электроэнергии и на их основе повысить эффективность использования электроэнергии на горнодобывающих предприятиях.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— представительным объемом исследований за 15-летний шериод (1974—1989 гг.) статистических данных по энергетическим и производственным показателям 23 ГОКов цветной металлургии, включающих 64 подсистемы ('рудников — 23, карьеров — 14, обогатительных фабрик — 27), позволившим получить результаты исследований с доверительной вероятностью не ниже 0,9;

— согласованностью результатов теоретических исследований и экспериментальных данных анализа энергетических характеристик основного технологического оборудования ГОКов (расхождение результатов не превышает 10%);

— адекватностью математических моделей расчета и прогнозирования обобщенного показателя эффективности использования электроэнергии (относительная .погрешность расчетов не превышает 10% ¡при доверительной вероятности 0,9 и выше);

— обработкой статистических и экспериментальных дан пых исследований 'на ЭВМ с помощью методов теории веро ятности и математической статистики, планирования экспс римента, кластерного, ¡критериального и корреляционно-ре грессионного анализов (значимость коэффициентов корреля щи и и уравнений регрессии определена при доверительно! вероятности 0,95);

— положительными результатами внедрения разработан ных методов анализа, расчета и (прогнозирования потребле нля электроэнергии в практику проектирования и экоплуа тации электротехнических систем горнодобывающих пред ■прнятий.

Научная новизна резулыаюи исследований заключает ся в:

— разработке концепции системного подхода примени тельно к анализу потребления электроэнергии в горнорудно промышленности;

— разработке классификации уровней системного анализа как общей методологической основы исследований, позволяющей проводить комплексное исследование -потребления электроэнергии в горнорудной промышленности;

— разработке научных основ анализа, расчета и прогнозирования потребления электроэнергии в горнорудной промышленности на базе профессионально-логических и функциональных методов исследования;

— разработке методов морфологического описания производственно-энергетической системы ТОКа, экспертных оценок и кластерного анализа, позволяющих определить приоритетные производственно-экономические показатели ГОКа, оказывающие наибольшее -влияние на потребление электроэнергии;1

— теоретическом обосновании и разработке на основе матричной модели метода расчета нового 'критерия эффективности использования электроэнергии в вице обобщенного показателя, позволяющего нормировать, контролировать, прогнозировать и управлять потреблением электроэнергии;

— теоретическом обосновании и разработке нового метода расчета 30-минутной максимальной мощности на основе статистических данных выборки нормально-усеченного закона распределения максимальных нагрузок, которая позволяет более точно определять договорную мощность предприятий и сокращать переплату за недоиспользуемый максимум нагрузки;

— разработке классификации и определении области применения трендовых моделей и модели авторегрессии для целей прогнозирования максимальной мощности и удельного расхода электроэнергии;

— разработке методик расчета показателей надежности и уровня технической эксплуатации системы электроснабжения горнодобывающих предприятий.

Значение работы

Научное значение работы состоит в разра.ботке новой.концепции анализа, расчета и прогнозирования потребления электроэнергии в горнорудной промышленности; разработке методов морфологического описания производственно-энергетической системы ГОКа, экспертных оценок и кластерного анализа потребления электроэнергии; получении математической модели расчета и прогнозирования обобщенного показателя эффективности использования электроэнергии; установлении закономерности распределения максимальных нагрузок и разработке метода расчета и прогнозирования мак-

сималыюй нагрузки; разработке метода расчета показателей надежности и уровня технической эксплуатации системы электроснабжения ГОКа; установлении аналитических зависимостей удельного расхода электроэнергии от производственных показателей основных технологических процессов добычи ц переработки руды, что позволило разработать ряд теоретических положений, совокупность которых является новым достижением в развитии теории электроснабжения промышленных (включая торные) предприятий, и осуществить на их основе повышение эффективности использования электроэнергии на предприятиях отрасли.

Практическое значение работы состоит в разработке следующих .методик и рекомендаций:

методика расчета и прогнозирования величины 30-минутной заявляемой активной мощности на промышленных предприятиях;

методика расчета и прогнозирования потребления элект роэнергии на горно-обогатительных .комбинатах (методика и пакет прикладных программ);

методика расчета удельного расхода электроэнергии 'по основным технологическим процессам добычи и переработки руды;

методика экспертных оценок и кластерного анализа потребления электроэнергии;

методика расчета и прогнозирования обобщенного показателя эффективности использования электроэнергии;

рекомендации по интенсификации работы основного технологического обрудовавия ГОКов;

рекомендации по повышению 'надежности системы электроснабжения подземных рудников за счет внедрения селективной защиты от одно- и многофазных замыканий;

рекомендации по повышению надежности системы электроснабжения карьеров за счет внедрения селективной защиты- от однофазных замыканий на землю;

рекомендации >по оптимизации системы электроснабжения (СЭС) рудничного электровозного транспорта.

Методики и рекомендации доведены до инженерного уровня использования и по ним разработан пакет прикладных программ для ЭВМ.

Реализация результатов работы

Методика расчета и прогнозирования величины 30-ми-минутной заявляемой активной мощности на промышленных предприятиях внедрена в ПО энергетики и электрификации «Севкавказэнерго».

Методика расчета и прогнозирования потребления электроэнергии на .горно-обогатительных комбинатах (методика и

пакет прикладных программ) внедрена в государственных проектных институтах «Кавказгипроцветмет», «Гипромез», Всесоюзном научно-исследовательоком, проектном и проект-по-конструкторском институте «Тяжпромэлектропроект» им. Ф. 'Б. Якубовского ('Волгоградское отделение).

Методика расчета удельного расхода электроэнергии по основным технологическим процессам добычи м переработки руды внедрена на Садонском СЦК, Тырныаузском АМК, Мадпеульоком ГОКе.

Рекомендации tío интенсификации работы основного технологического оборудования ГОК внедрены на Тырныаузском 'BM¡K и Маднеульском ГОКе.

Рекомендации по повышению надежности системы электроснабжения подземных рудников за счет внедрения селективной защиты от одно- и многофазных замыканий внедрены на Садонском СЦК-

Рекомендации ло повышению надежности системы электроснабжения карьеров за счет внедрения селективной защиты от однофазных замыканий на землю внедрены па Тырныаузском ВМК и Маднеульском ГОКе.

Рекомендации по оптимизации системы электроснабжения (СЭС) рудничного электровозного транспорта внедрены на Тырныаузском ВМК.

Методика расчета и прогнозирования вел.ичпны 30-минутной заявляемой активной мощности на промышленных предприятиях», включая программы расчета на ЭВМ, внедрена при чтении в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте курса лекций «Повышение эффективности использования электроэнергии в промышленности», проведении лабораторных работ и дипломном проектировании (специальность 10.04).

Внедрение результатов работы на ряде ГОКов отрасли подтверждено и одобрено Минцветметом (письмо зам. министра № КА—8023/31 от 07.08.89 г. «О ¡продлении работ по внедрению разработок повышения эффективности использования электроэнергии на горных предприятиях 'цветной металлургии») .

Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты., выводы <к рекомендации диссертационной работы докладывались, обсуждались и .получили одобрение на Всесоюзной межвузовской конференции по проблемам охраны труда (Иваново, 1969), I Всесоюзной научно-технической конференции «Электробезопасность на горнорудных предприятиях черной металлургии СССР» (Днепропетровск, 1975), VII Всесоюзном совещании энергетиков -цветной .металлургии (Москва, 1977), II Всесоюзном научно-техническом семинаре «Повышение надежности и электробезопасности систем

электроснабжения горнорудных предприятий» (Качканар, 1979), II Всесоюзной научно-технической конференции «Электробезошасность на горнодобывающих предприятиях» (Днепропетровск, 1979), Всесоюзной научной конференции «Снижение потерь в электроэнергетических системах» (Баку, 1981), III Всесоюзной научно-технической конференции «Электробезопасность на горнорудных предприятиях черной металлургии СССР» (Днепропетровск, 1982), Всесоюзной научно-технической конференции «Моделирование электроэнергетических систем» (Баку, 1982), Всесоюзном научном семинаре АН СССР «Кибернетика электрических систем» по тематике «Электроснабжение промышленных предприятий» (Новочеркасск, 1983, 1985, 1988), научно-технической конференции «Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления на промышленных предприятиях» (Челябинск, 1983), научном семинаре-совещании «Построение моделей и моделирование сложных технических объектов» (Тула, 1984), Всесоюзной научной конференции «¡Пути экономии и ¡повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта» (Казань, 1984), -научно-технической конференции «Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электро,потребления промышленных предприятий» (Свердловск, 1984), науч'но-техничеакой (конференции «Повышение эффективности электроснабжения промышленных ¡предприятий» (Челябинск, 1985), IX Всесоюзной научной конференции «Моделирование электроэнергетических систем» (Рига, 1987), международном симпозиуме «Повышение надежности систем промышленного электроснабжения на основе современных методов и средств обнаружения мест повреждения кабелей» (ФРГ, г. Баунах, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности и качества электроснабжения» (Мариуполь, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции «Критерии экономической эффективности в энергетике» (Киев, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовало 74 научные работы, получены 3 авторских свидетельства на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных «а 339 с. машинописного текста, содержит 40 рисунков и 50 таблиц, список использованной литературы из 245 наименований и приложений.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту — профессору Щуцкому В. И. за помощь при подготовке и завершении диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Решению важной проблемы энергосбережения и повышения эффективности использования электроэнергии в парод-ном хозяйстве посвящены фундаментальные работы научных школ МЭИ, МГИ, КПИ, ДГИ, ИПЭ АН УССР, ИГД имени А. А. Скочинского, ММИ, НИИ, МГМИ, СГИ и других институтов и организаций.

Большой вклад в решение различных аспектов этой проблемы применительно к предприятиям общепромышленного назначения, сельскохозяйственного производства и транспорта внесли советские ученые Будэко И. А., Шидловский А. К., Тонкаль В. Е., Каялов Г. М., Арзамасцев Д. А., Шевченко В. Б., Кудрин Б. И., Левин М. С., Журавлев В. Г., Же-желеико И. В., Вагин Г. Я., Денисенко Н. А., Никольский О. К,. Мамошин Р. Р., Гордеев В. И., Болотов А. В., Ма-нусов В. 3., Федоров А. А., Маркварт К. Г., Железко 10. С., Холмский Д. В., Прокопчик В. В., Бойко Ф. К., Гордиев-ский И. Г. и др.

В геологии, горной и нефтегазовой промышленности большой вклад -в решение этой важной проблемы внесли советские ученые Гладилип Л. В., >Волотковский С. А., Винослав-скпй В. Н., Щудкий В. И., Серов В. И., Белых Б. П., Пив-няк Г. Г., Меньшов Б. Г., Ерыгин А. Т., Праховпик А. В., Разгильдеев Г. И. Бацежев Ю. Г., Цапенко Е. Ф., Тро-шин В. А., Куренный Э. Г., Багаутинов Г. А., Борисов Р. И., Соболев В. Г., Алексеев В .В., Абрамович Б. Н., Ягуда-ев Б. М., АвиловЖарнаухов Б. Н., Лимитовский А. М., Са-мойлович И. С., Олейников В. К., Голубев В. А., Плаацап-екий Л. А., Ляхомский А. В., Хронусов Г. С., Разумный Ю. Т., Миновокий Ю. П., Гойхман В. М. и др.

В результате выполненных работ с использованием отдельных положений системного подхода были разработаны основы рационального электропотребления в горнодобывающей промышленности и частично решены вопросы повышения эффективности использования электроэнергии на отдельных подсистемах ГОКов. Проведенный в работе анализ показал, что исследования эффективности ¡использования электроэнергии требуют значительного углубления, ¡которое может быть достигнуто только при использовании основных положений системного подхода, определяющего комплексное рассмотрение во взаимосвязи вопросов снижения максимальной мощности и удельного расхода электроэнергии, повышения производительности труда и фондоотдачи в горнорудной промышленности.

Главные свойства производственно-энергетической системы ГОКа могут быть отражены совокупностью морфологиче-

ского, информационного описания и профессионально-логических и функциональных методов исследований.

Морфологическое описание позволяет вскрыть внутреннее устройство и структуру системы, ее иерархию, состав подсистем, их элементы и связи. Выявленные на основе морфологического описания наиболее существенные элементы и параметры производственно-энергетической системы ГОКа применяются для последующего анализа. С использованием специальных общепризнанных символов морфологическое описание производственно-энергетической системы ГОКа может .быть представлено следующим выражением:

5м=={£(''2-3и4'5.6>, 1А1.2.31.(<1, 5, 6) 5 0(1,2,. (3,4) )Д'(1)}1

где {2(г)} — множество элементов и их свойства (¿=1,3): 1—гомогенные, 2—гетерогенные, 3 — смешанные; (¿ = 4,6): 4 — информационные, 5 — энергетические, 6 — вещественно-энергетические;

|у(<)| — множество связей, их назначение и характер (¿='1,3): 1— информационные, 2 — вещественные, 3—энергетические; (¿ = 4,6): 4 — прямые, 5 — обратные, 6 — нейтральные;

¡а"1} — множество структуры, ее устойчивость и построение_(¿=1,2): 1—детерминированная, 2—вероятностная;

(¿ = 3,4): 3 — иерархическая, 4 — смешанная; {/О'*} —множество композиций (¿=1): 1 — с эффективными подсистемами, способными воздействовать веществом (полезным ископаемым) и энертией на. другие подсистемы и системы.

Рассмотренные в работе множества морфологического описания отражают в целом многообразие причинно-следственных связей, но не .позволяют дать количественную оценку влияния производственных факторов на потребление электроэнергии. Анализ морфологического описания производственно-энергетической -системы -показывает, что в методологическом плане оно является первоосновой для перехода от качественной -к количественной оценке на основе профессионально-логических и функциональных методов исследования с использованием данных информационного описания (статистических данных ¡производственных и энергетических показателей Г-ОКа, нормативных материалов и экспертных оценок).

Морфологический анализ показал, что специфические условия ведения горных ра:бот, сложность и разнообразие технологических процессов подсистем ГОКов не позволяют однозначно оценить влияние основных производственных факторов на потребление электроэнергии.

Поскольку задача повышения точности и надежности оценок, необходимых для принятия решения, заключается не в получении каждой из них с помощью аналитических расче-

тов, а в сокращении числа показателей, не поддающихся измерению, то .в работе для оценки 'влияния этих показателей па потребление электроэнергии разработана методика экспертных оценок. Использование этой методики позволяет проверить и уточнить полученные разными научными школами результаты исследований потребления электроэнергии на горных предприятиях, провести статистическую оценку значимости влияния тех или иных показателей и еще на предварительном этапе обоснованно сократить размерность задачи функционального исследования. В разработанной методике экспертных оценок решены две основные задачи: выбор экспертов и типа экспертной оценки и статистический анализ экспертных оценок.

В качестве экспертов выступили главные энергетики ГОКов, их подсистем, научные работники соответствующего профиля. С учетом должности эксперта, стажа работы по специальности, ученой степени (звания) разработана шкала веса эксперта — ß = 0,6—1,3, позволяющая более объективно подойти ,к значимости оценки того или иного эксперта. Рекомендовано соблюдать следующие соотношения: 7<п< <20, где т — число экспертов в группе, и — число рассматриваемых показателей.

В работе обоснована целесообразность использования в качестве экспертной оценки размытого числа, представленного дельта-функцией, в которой четкая (точечная) экспертная оценка at является частным случаем и представляет собой локальную моду размытого числа. На основании анкетирования специалистов и статистической обработки полученных результатов в работе принята дискретная шкала экспертных оценок {а}, содержащая семь значений от 1 до 7 (в порядке повышения, по мнению эксперта, степени влияния производственных показателей на потребление электроэнергии).

Для каждой из подсистем ГОКов были .разработаны специальные анкеты, содержащие от 21 до 25 показателей, по которым экспертами давались оценки. В качестве примера в в табл. приведены перечень показателей (Z, ) по карьеру Ле-ниногорского ГОКа и оценка их влияния на потребление электроэнергии (у).

Для оценки мнения группы экспертов в качестве обобщенного среднего для /-го показателя подсистемы ГОКа с учетом веса эксперта ß использовано выражение 1 "

* ГУ - ' 1 j 1

где к — число 'Используемых рангов (для а/ = 1,..., 7, k = 7)\ bj(al) —вес /-го эксперта, выставившего свою экспертную оценку а, .

Yh' 1

; / = 1, к; k = 7; у —- \,т.

Таблица

Экспертные оценки влияния основных производственных показателей карьеров на потребление электроэнергии

2; Перечень основных показателей Оценка влияния показателя на у

2, Климатические условия о

22 Горно-геологические условия 4

23 Водоприток 4

2, Горнотехнические свойства руды и 5

породы

25 Система разработки

26 Надежность оистемы электроснаб- 6

жения

2; Размер кондиционного куска руды, 6

.породы

28 Глубина карьера ■7

2д Основное технологическое оборудо- 7

вание

2 ю Система проветривания 1

2ц Система водоотлива 3

Z\1 Систе.ма карьерного транспорта 6

2,з Система сжатого воздуха 4

2,4 Выработка тепла Г)

2,5 Объем добычи руды 7

2,6 Объем вскрышных работ 7

2,7 Списочный состав ППП 6

2,8 Производительность труда по до- 6

быче

2,9 Производительность труда по вскры- 6

2го Себестоимость по добыче 7

2г, Фондоотдача основного оборудова- 6

ния

¿22 Прочие 5

1. Должность эксперта — энергетик.

2. Стаж работы по специальности — 30 лет.

3. Ученая степень, звание —

4. Ф. и. о. (по желанию) Алехин В. Г.

Дата 29.09.1987 г.

Для принятой в методике дискретной шкалы оценок /=1,&; £ = 7, среднее значение а4 = 4 использовано для 'приближенной оден-ки значимых (А^ >4) и незначимых (А$:<4) показателей с точки зрения их влияния на потребление электроэнергии.

Для объективной оценки значимости мнений экспертов о влиянии показателей подсистем ГОКа на .потребление электроэнергии в работе проведен статистический анализ. На основе исходной матрицы рангов размерностью тХп при имеющем место соотношении составлена новая матрица

связанных рангов и поэтапно проверен ряд нулевых гипотез Н0', построенных по признаку убывания их мощности.

Гипотеза Н0Х: исходная матрица рангов неадекватна матрице связанных рангов—проверяется по коэффициенту ранговой корреляции р-Спирмена. В методике предложено, что при Нд1: р>0,7 гипотеза Н0] отвергается.

Гипотеза, Н02: пет согласованности во мнениях экспертов — проверяется по коэффициенту конкордации Кендалла №. В работе с учетом квалификации экспертов принято, что при гипотеза Н02 отвергается. Значимость коэффициента проверяется по критерию %2-Пирсона.

Гипотеза Н03: различие в оценках экспертов по вопросу о влиянии рассматриваемых показателей напотребление электроэнергии существенно.

Гипотеза Я04: различие >в оценках экспертов по вопросу о влиянии 'рассматриваемых показателей на потребление электроэнергии несущественно. Проверка гипотез Я03 и Я04 проводилась с использованием дисперсионного анализа по /■'-критерию Фишера.

Статистическим анализом групповых экспертных оценок и нулевых гипотез для всех подсистем ГОКов установлено, что ■влияние показателей подсистем ГОКа на потребление электроэнергии неодинаково и меняется в широком диапазоне: для рудников Лр/='1,5—5,11; для карьеров Ац =1,37—4,6; для обогатительных фабрик А?, =1,57—4,61; значения коэффициента р и № составили р = 0,96—0,99; № = 0,32—0,38.

Гипотезы Но3 и//04 отвергнуты по /•'-критерию Фишера при уровне значимости а = 0,1.

Таким образом, профессионально-логическое исследование потребления электроэнергии на основе морфологического описания производственно-энергетической системы ГОКа и статистического анализа экспертных оценок позволило определить адекватность матриц рангов, оценить уровень квалификации экспертов и согласованность их мнений о влиянии отдельных показателей ГОКа на потребление электроэнергии, приближенно определить совокупность значимых и незначимых показателей.

Проведение функционального исследования начато определением группы слабокоррелированных между собой значимых показателей, которые могут быть отнесены к одному кластеру. В работе кластерный анализ выполнен по двум иерархически связанным качественным уровням: по распределению сумм рангов экспертных оценок и по .матрице расстояний между экспертными оценками. Исходной, для кластерного анализа является матрица связанных рангов показателей по подсистемам ГОКа. При упрощенном подходе раз-

биения всех показателей на два кластера — значимых и незначимых показателей—использована медиана полигона распределения взвешенных усредненных размытых чисел показателей _подсистем ГОКа . Относительное значение показателя А=Лэг/тв', где т0' — уточненное значение медианы, определяемое по выражению

/и0' = 0,5 (шах А?, + min А'-л). ; i

На основании расчетных значений А-ut производилась их ранжировка в порядке убывания значений и строился

полигон распределения средних A?tt. В соответствии с принятой методикой к значимым показателям с вероятностью /'(g) =0,5 относились те, для которых A?it>l.

Для проверки правильности подхода к формированию кластеров по. /•'-критерию Фишера проверялась гипотеза Я05: влияние .всех (или части) показателей подсистем ГОКа на потребление электроэнергии одинаково.

Важным в кластерном анализе является проверка критерия непротиворечивости объединения тех или иных показателей подсистем ГОКа в один общий кластер. Она. проводилась на основе критерия х2-Пирсона по гипотезе Я06: влияние всех или части показателей подчиняется равномерному распределению. При известном коэффициенте конкордации Кен-далла W расчетное значение /р2 определялось из соотношения х92=W(ti—1 )т.

Критериальной проверкой установлено, что при уровне значимости а = 0,1 показатели имеют .распределение, отличное от равномерного.

Для построения дивизим.ного дерева классификации показателей и дендрогра.ммы кластеров в работе в качестве критерия близости использовано эвклидово расстояние, выраженное через парные коэффициенты корреляции Гц между отдельными показателями и определяемое по формуле

п(п\~1) (1-гй), 'i= 1. 2, ..., к, l, ..., п: i Ф i.

6

Для проверки адекватного отражения статистической связи между .показателями k и / по /-критерию Стьюдента проверялась гипотеза Я07: две случайные величины k и / независимы.

По разработанной методике экспертных оценок и кластерного анализа была составлена комплексная программа и проведен расчет на ЭВМ статистических критериев и параметров дендрограмм. •

а - дивизиьшое дерево иерархической классификации показателей карьерой

5 - дендрохраша кластеооа показателе)! карьеров

• =н

4

ш 1

1

ш А 1

1

'/V

У///, '/У/ / 'Л

Щ' $ / "к А

% / //У, / 'Л а

РАСЧ. * Д1

I 1 15 20 1Ь А 2 15 <1.6

а а ш и \\ 6 14 1й 1д 6

< ж 1 9 12 9 2.37

¡у 5 21 21 2.55

1 1 г > <■ г « < 1 19132

5 0 6 и 9 2 1

Эис. I. Результат кластерного анализа влияния показателей карьеров аа потребление электроэнергии

В качестве примера на рис. 1 представлены дивизимпое дерево иерархической 'классификации показателей карьеров и соответствующая ему дендрограмма кластеров. Последняя состоит из четырех кластеров, внутри которых значимыми показателями (табл.) являются: 15—объем добычи руды, 6 — надежность системы электроснабжения, 9 — основное технологическое оборудование (экскаваторы, буровые станки), 21>—фондоотдача основного оборудования.

Для рудников и обогатительных фабрик построены аналогичные дендрограммы, .в которые входят по три кластера. Для рудников значимыми показателя,ми кластеров являются: объем добычи руды, производительность труда, по добыче, система рудничного транспорта. Для обогатительных фабрик — объем переработанной руды, процесс измельчения, себестоимость переработанной руды.

В целом анализ дендрограмм потребления электроэнергии позволил выявить наличие в кластерах таких важных показателей, ка,к объем добычи и переработки руды, входящих >в аналитические выражения по расчету удельного расхода электроэнергии, 'что подтверждает правильность методики кластерного анализа и результатов расчета. Наряду с этим, на основе анализа выделены кластеры ряда важных, неоднозначных, ранее недостаточно учитываемых и слабокоррелированных между собой ироизводственно-'экономических показателей, которые следует учитывать при расчете обобщенного показателя эффективности использования электроэнергии на горно-обогатительных комбинатах (производительность труда по добыче, себестоимость переработки руды и др.).

Сердцевина функционального анализа производственно-энергетической системы ГОКа — разработка методики определения обобщенного показателя эффективности использования электроэнергии Е. Абсолютные значения максимальной 30-минутной мощности Рзо и потребляемой активной энергии

являются важными показателями, однако они недостаточно полно характеризуют эффективность использования электроэнергии, не позволяют сравнивать между собой ГОКи одной отрасли, что затрудняет проведение технико-экономического анализа, что затрудняет проведение технико-экономического анализа на уровне ведомства. Новый показатель Е должен определяться, исходя из реальной совокупности показателей, входящих в морфологическое описание производственно-энер-тегической системы ГОКа и кластеры дендрограмм подсистем ГОКа.

Показатель Е может быть представлен совокупностью показателей:

¡^ЛМС, В, Р, Ф],

где С — оплата за потребленную электроэнергию;

В —объем выпускаемой товарной продукции;

Р — рабочая сила—численность производственно-промышленного персонала (П.ПП);

Ф — стоимость основных фондов.

Для определения вида функционала Е = }(С, В, Р, Ф) разработана специальная матричная модель, основанная на интерпретации диаграмм Венна. Исходный граф связей'показателей включает: 5 вершин (С, В, Р, Ф, Е)\ 8 ориентированных дуг, выражающих прямые и обратные связи между вершинами; 4 петли дуг. В качестве исходных показателей в матричную модель первого порядка входят три показателя входа (С, Р, Ф) и показатель процесса (В). Важными элементами матрицы первого порядка являются: коэффициент электроемкости продукции Св = С/В, соответствующий удельному расходу электроэнергии; производительность труда Вр =В/Р и фондоотдача ВФ=В/Ф.

Переходя последовательно к подматрицам второго и третьего порядков, в которых в качестве элементов строк и столбцов используются полученные ранее соотношения между величинами Св, ВР, Вф, определяем окончательный вид функционала Е:

Показатель Е характеризует удельный расход электроэнергии Св, отнесенный к существующей на предприятии производительности труда Вр и фондоотдаче Вф.

Из выражения (1) вытекает, что высокая эффективность использования электроэнергии на ГОКе определяется минимумом значения функции ¿->-гшп.

Обозначим через Кф коэффициент, учитывающий долю стоимости основных фондов системы электроснабжения ГОКа Фэ в общей стоимости фондов Ф, т. е. Кф = Фэ/Ф■ Значения составляют Кф~ 0,04—0,07.

Обозначим через Рэ часть численности всего ППП, занятого обслуживанием основного электротехнического оборудования. Тогда Р„=Р—Рэ—численность ППП за исключением Р э •

Представим стоимость С по двухставочному тарифу в виде С = сгР3о + С2№.

При подстановке всех этих значений в выражение (1) получен следующий результат:

Е — СРФВ~'.

(1)

Е = Е1 + Е2 =

с,Р*АРэ + Рп)Ф* , сг\У(Р9 + Рп)Фэ-

- П11П.

КфВ3

КфВ3

Из выражения (2) следует, что показатель Е есть целевая функция, оптимизирующая режим потребления электроэнергии по мощности (Рзо/В-^т'т), по удельному расходу электроэнергии (УУ/В—>-гтпп), а также систему электроснабжения по минимуму приведенных затрат (Фэ/В=*-ггнп).

Объемная структура показателя Е обеспечивает его высокую чувствительность к модернизации технологических процессов, автоматизации и внедрению новых технологий —Рп—>-гтп, Рз0->тш, И^-^-тт, В^-тах, Фэ->тах).

Для удобства прогнозирования показателя Е использованы индексы показателя 1Е, разные коэффициенту темпов роста /Стр :

где хш), ЛГ(1,— значение показателя за N и 1-й периоды времени;

N—число лет рассматриваемого временного ряда.

Прогнозное значение показателя л'(дг+1) на (N+1) период времени определяется по выражению

Расчет индексов /Е проводится аналогично расчету Е с использованием матричной модели и позволяет количественно оценить, сравнить между собой и прогнозировать показатели входящих в отрасль однотипных предприятий.

Располагая индексами I E¡ (/) для /-го ГОКа, /= 1, т, по отрасли для каждого года рассматриваемого периода формируется исходная выборка индексов {/E¡ и определяется ее среднее IE(t). Из условия Hnin очевидно, что при Iej Для /~го ГОКа этот показатель лучше, чем

средний по отрасли. Для ГОКа, где IE¡ (t)>fE(t), этот показатель хуже и необходимо принять меры по его повышению за счет внедрения оргтехмероприятий по улучшению энергетических (/c^-min) или производственных показателей (/л -»-max, Iр —>-min, I<р —>-min).

Из выражения (2) следует, что оптимизация показателя £->min связана с решением важной задачи по расчету и прогнозированию мощности Р30. Исследования показали, что существующая методика расчета Рзо для предприятий носит декларативный характер, основана на гипотезе о нормальном распределении максимальных нагрузок и расчете Рзо по правилу «трех (двух) сигм». Это приводит к существенному завышению величины договорной мощности Рз0 и необоснованной переплате за недоиспользуемый максимум нагрузки.

(3)

-*(Л'+1) = Кл9Х(н)-

(4)

2

:17

В работе на основе представительных статистических данных по ряду ГОКов цветной металлургии разработана новая методика расчета мощности Рз0. Анализ исходных почасовых выборок {Pw) за I —IV кварталы года после проверки на однородность (по критерию «трех сигм»), репрезентативность (по /-критерию Стыоденга) и нормальный закон распределения (по х2~кРнтеРш° Пирсона) показал, что имеет место устойчивая анаморфоза нормального распределения нагрузок, характеризуемая значимой величиной коэффициента асимметрии /4Л-60 <—0,5. Выявленная закономерность позволила предложить расчет Р30 на основе усеченно-нормального закона распределения нагрузок. Поскольку величины максимальных нагрузок в выборке {Рео} не могут быть меньше средней тх, то расчет Рго ведется по усеченной выборке

l^'eo! \Рвоь

в которой все величины PBn¡ <т х исключаются. Анализ выборок {Рбо'} показал, что распределение ограничено слева тх, но является анаморфозно нормальным, что подтверждается логарифмически-нормальным распределением по критерию ^-Пирсона. Установлено, что объем выборки {Р6о'} репрезентативен (¿Vi «50), стандарт выборки S'х имеет небольшие значения, основная часть значений P'eoi группируется вокруг нового среднего усеченной выборки т'х. Определение расчетной статистики tp' основано на распределении значений выборки {Р6о'} вокруг среднего тХ/ для которого характерно примерно равновероятное рассеяние значений по обе стороны от тх . Значение ¿р'есть нормированное отклонение:

, _ т'х~тх _ ±тх

_ _ _ *

С, О'

° Х60 ° х>0

где 5'Х60—стандарт усеченной выборки {Peo'}-

В работе получены удобные для инженерного использования формулы расчета получасовой мощности Рзо по средним почасовых выборок {Peo} и {Peo'}-

Р,0 = т'х+\г2Ьтх> (5)

по средним получасовых выборок {Рзо}, {Р'зо}:

Рм = гп'х +

При использовании данных почасовых выборок {Peo}, {Рбо'} верхняя граница доверительного интервала определяется по выражению

Рио. 2. График изменения во времени поквартальных

фактических и рялчетннх величин чяксимпл*нпН нчгрузки ПЖ

Хорошая сходимость результатов расчетов и фактических данных (относительная погрешность не превышает 5%) подтвердила целесообразность использования разработанной методики для ГОКов. В качестве примера на рис. 2 представлен график изменения во времени поквартальных фактических и расчетных величин Рзо, определенных по разным методикам. Условные обозначения на рис. 2 соответствуют следующим величинам: '!—тх\ 2 — т'х\ 3 — значение Рзо по формуле (5); 4—то формуле (6); 5 — фактическое максимальное значение Рзошах; 6—значение Рзо, определенное по правилу «двух сигм»; 7 — то же, по правилу «трех сигм».

На рис. 2 область, ограниченная средним тх и верхней границей доверительного интервала Р30 [тх, [Д#]™х], заштрихована. Из рис. 2 следует, что расчет Рз0 по правилам «трех (двух) сигм», как уже отмечалось выше, приводит к значительному и неоправданному завышению договорной (заявляемой) мощности.

Результаты анализа,потребления электроэнергии на ГОКах цветной металлургии показали, что важными факторами интенсификации производства и улучшения показателя Е являются уточнение существующих и разработка новых научно обоснованных норм удельного расхода электроэнергии по отрасли. Для рудников на основании статистических исследований зависимость между потреблением электроэнергии № и объемом добытой руды Q описывается уравнением регрессии вида

— 5 —

иУ = + — ту),

где гпц. ¿»V, —соответственно средние и стандарты

выборок {№}, {<Э};

Г1У(?—коэффициент корреляции, равный (0,116—0,473) при уровне значимости 0,05.

Низкое значение г^указывает на слабую корреляцию между IV и <2 и на возможность существенной интенсификации работы основного технологического оборудования предприятий. Для рудников важное значение имеет повышение эффективности эксплуатации электровозной откатки.

Экспериментальные исследования энергетических характеристик экскаваторов типа ЭКГ-4,6, ЭКГ-8 и буровых станков типа СБШ-250 на карьерах ГОКов позволили получить аналитические выражения в виде уравнений множественной регрессии.

Для экскаваторов исследования показали, что потребление электроэнергии IV зависит в основном от их производи-

2*

19

тельности Я, горно-геологических свойств грунта (категории тяжести экскавации I—V) К и угла поворота на выгрузку а.

В результате расчетов получено выражение

Ц7= 87+ 0,112/7- 1,2 К+ 12,3а, пли в стандартизированном виде

1,184*„ + 0,386/д- + 0,4034. (7)

Из уравнения (7) следует, что наибольшее влияние на № оказывает производительность Я(г1Гя~0,75).

Расчетные формулы удельного расхода электроэнергии для экскаваторов:

ЗКГ-18 со = 0,127+ 997 Я-1; (8)

ЭКГ-4,6 со = 0,117 + 398Я-1. (9)

Для буровых станков типа СБШ-250 удельный расход электроэнергии определяется по формуле

„„ , 2,5 — 0,0018 е8'2г'б а>й — 3,3 Н--,

где и6—механическая скорость бурения, м/мин.

На обогатительных фабриках более 60%' всего потребления электроэнергии приходится на процесс измельчения, что подтвердил и кластерный анализ. Статистический анализ показал, что значение коэффициента корреляции г ^ между выборками {№} и {С} — объемом переработанной руды — находится в пределах г ^£^0,06—0^58, что _позволило выделить средние по выборкам и ты = т,]Х,1т(3, обосновать до-

верительный интервал удельного расхода электроэнергии, определяемый по формуле

= тш + t¡ipSш,

где — стандарт выборки {со};

t— табличное значение ¿-критерия Стьюдента.

Проведенный анализ обосновал необходимость интенсификации работы мельниц измельчения и за счет этого уменьшение удельного расхода электроэнергии.

Проблема повышения эффективности потребления электроэнергии тесно связана с вопросами прогнозирования показателей использования электроэнергии (Е, Р30, №), удельного расхода электроэнергии <о. В диссертации разработана классификация основных методов прогнозирования. Для целей прогнозирования используются трендовые модели, основанные на использовании коэффициентов темпов роста (МКТР), метод наименьших квадратов (МНК.) и модель авторегрессии

(MAP). Вследствие статического характера использования исходных и в зависимости от длины временного ряда относительная ошибка прогноза составляет: к<20% (МКТР) и ё<10% (МНК.). Уменьшение относительной ошибки прогноза получено за счет использования MAP. Теоретические основы MAP разработаны, главным образом, для длинных временных рядов, что затрудняло широкое использование MAP на практике. В работе проведен анализ MAP и решена задача прогнозирования применительно к короткому временному ряду (N = 4—8) за счет уточнения значения автоковариационной функции (АКВФ) временного ряда:

Сп = ^ = _1 (Z. _ 2) (Z(i-i-A') - Z),

YV ,-„1

где Z, (72 — соответственно среднее и дисперсия временного ряда; _

К=1,К — целочисленное значение максимальной задержки АКВФ.

В работе условие выбора K<N представлено выражением K = N—1 вместо рекомендуемых для длинного временного ряда выражений: 20</(<Л^/4; K<N/5. Значение автокорреляционной функции (АКФ) временного ряда определяется по выражению rK = cKjc0,

где К=ЪГК.

Адекватность MAP проверяется на основе анализа остаточных ошибок процесса авторегрессии е, с использованием ретроспективной проверки.

Показано, что за счет повышения порядка MAP р>2 и при увеличении длины временного ряда N возможно существенно уменьшить остаточную ошибку MAP е, до достаточно малой заданной величины, лежащей в пределах ошибки расчета исходных данных (ь7<1%). В частности, для Мадне-ульского ГОКа относительные ошибки прогноза поквартальных значений максимальной мощности для N=5 и р = 3, определенные на основе ретроспективной проверки, находились в пределах в= (0,8—1,93)%.

Определение прогнозируемой величины по MAP производится по выражению

Z,(/) = v btZit-,Tl), i = 1

где Zt (/) — прогнозное значение функции на / шагов вперед, полученное в момент времени /;

Z(/_i — значение временного ряда на момент времени (t—i + l).

В целом в работе для прогнозирования поквартальных значений показателей с шагом в 1 год (/=1) использовались следующие модели: МКТР, МНК, MAP для прогнозирования Ръо\ МНК'для прогнозирования W и со; МКТР для прогнозирования Е. Внедрение «а ряде ГОКов метода .расчета и прогнозирования Язо позволило более точно определить договорную мощность и уменьшить оплату по основной ставке двух-'ставочного тарифа.

Анализ структуры обобщенного показателя Е (2) показал, что повышение эффективности использования электроэнергии на ГОКе должно обеспечиваться внедрением комплекса организационно-технических мероприятий. Снижение мощности />зо обеспечивается применением потребителей-регуляторов, в качестве которых используется электропривод компрессорных, подъемных, водоотливных и вентиляционных установок, дробилок, мельниц измельчения, конвейерного транспорта, оборотного водоснабжения. Анализ циклограмм и технологических процессов на карьерах и рудниках показал, что в среднем снижение Рзо на 1—<2 МВт 'может быть достигнуто за счет смещения наиболее энергоемких процессов добычи руды из временного интервала максимума йагрузки энергосистемы.

На основе проведенного кластерного анализа экспертных оценок установлено, что приоритетными направлениями повышения эффективности использования электроэнергии являются: в условиях карьеров — повышение надежности системы электроснабжения; в условиях рудников — оптимизация системы электроснабжения подземного электровозного транспорта; в условиях обогатительных фабрик — интенсификация работы мельниц измельчения.

Система электроснабжения (СЭС) карьеров представляет собой сложную динамическую систему с изменяющимися структурой и параметрами. Одним из основных факторов, определяющих снижение удельного расхода электроэнергии на добычу руды, является обеспечение высокой производительности экскаваторов П [см. (8), (9) ], которая зависит от продолжительности и числа аварийных отключений в карьерных распределительных сетях (КРС) напряжением выше 1 кВ. Надежность СЭС карьеров определяется соотношением двух состояний изоляции К.РС — нормальным состоянием изоляции (НСИ) во всех трех фазах и аварийным состоянием изоляции при однофазных замыканиях на землю (ОЗНЗ) в КРС. Основные показатели надежности СЭС могут быть представлены в виде оценок вероятностных состояний КРС — Р (t0) для НСИ, Q [t0) для ОЗНЗ:

Р (/„) = е-*'-; Q (f„) = 1 -Р (/.) = 1 - , (10)

где л — среднее число повреждений в единицу времени; /о — интервал времени от ( = 0 до / = В результате расчетов получены удобные для практических расчетов приближенные значения нестационарных коэффициентов НСИ — коэффициента готовности Ко и коэффициента аварийного ОЗНЗ в сети (коэффициента вынужденного простоя) К\.

/С0= 1- —(1-е-'"-); А", = — (1 — е_|1/"), д 11

где р — среднее число восстановлений НСИ в единицу времени.

Принятие допущения о марковском характере процесса, протекающего в КРС, позволило считать, что поток отказов системы электроснабжения подчиняется распределению Пуассона.

Анализ статистических данных о повреждаемости показал, что среднее число повреждений ). мало (/Со = 0,91—0,96). В этом случае коэффициент вариации Ух может достигать больших значений, в том числе Ух>\. Это указывает на то, что величина 1меняется в широких пределах и не может служить устойчивой характеристикой. В связи с этим статистически более надежной является интервальная оценка л/0-Для неизвестного параметра к нижняя и верхняя границы одностороннего доверительного интервала имеют вид:

-1[(/ЛК; Р\ -¿-1К.К; Р\ >>•.

Г. 'о

где щ — число ОЗНЗ в КРС за период времени (а /о)п\\ Р и (/. /о) "ь Р — квантили х2"критерия Пирсона для принимаемой доверительной вероятности Р = 0,95.

Общее выражение (10) не позволяет выявить такие важные с точки зрения технической эксплуатации параметры КРС, как структура КРС, реакция релейной защиты на восстановление НСИ н др. В работе проведены углубленный анализ и синтез вероятностной продолжительности состояния ОЗНЗ в КРС и получены новые функциональные зависимости между элементами структуры КРС и параметрами распределения вероятности 0(/о)- В результате проведенного исследования получена развернутая формула полной вероятной продолжительности состояния ОЗНЗ в трех фазах КРС:

р;,л о {4(1 - р,\и) + [2 -+ /У/Л (ЗР2 - 2)]| " " 3 {2 11 + РМь (1 - я..,^0)| + /Ш0 [Р,РМ0 +2 (Р, + ' + Р3М0-РяР3ио)~ 4]}

где Рi — вероятность первичных ОЗНЗ при предшествующем НСИ всех трех фаз сети;

Яг— вероятность повторных ОЗНЗ;

Рз — вероятность любого вида повреждения в сети вне зоны релейной защиты.

Анализ выражения (11) показывает, что при хорошем уровне технической эксплуатации КРС величина т зависит исключительно от Р\.

Продолжительность аварийного простоя электрооборудования зависит от селективной работы защиты от ОЗНЗ. В работе приведены аналитические выражения расчета годового экономического ущерба для случаев наличия и отсутствия (отказа в работе) селективной релейной защиты от ОЗНЗ в КРС.

Проведенные исследования показали, что повышение надежности СЭС карьеров обеспечивается за счет поддержания высокого уровня сопротивления изоляции КРС и внедрения селективной релейной защиты от ОЗНЗ.

Автором разработаны схемы непрерывного контроля сопротивления изоляции КРС и релейной защиты от ОЗНЗ, приоритет которых защищен авторскими свидетельствами. Селективная защита от ОЗНЗ внедрена на Тырныаузском ВМК, Маднеульском ГОКе, Садонском СЦК, что позволило улучшить условия электробезопасности и сократить на 15— 20% время аварийного простоя оборудования, вызываемого ОЗНЗ в КРС.

Целью оптимизации параметров системы электровозного транспорта рудников являются повышение экономических показателей и снижение годовых приведенных затрат на СЭС, входящих в показатель Е. В работе в качестве оптимизируемого параметра приняты годовые приведенные затраты. Применительно к рудникам, в работе получена технико-экономическая модель СЭС, описываемая следующим выражением:

3 = Ва -f BJr + B2N» И + B3FK + Я4 Wr1 + Вь1™ -f

+ + 57(/AV)~3-26 + В, [ÍNTy ™Fn + B,NT-**l-"Fa-\

где fio—постоянные составляющие затрат; Bt — В9 — обобщенные константы, содержащие исходную информацию о СЭС.

Оптимизируемые параметры: /VT—количество тяговых подстанций, / — длина участка контактной сети, FK — сечение контактною провода, F„ —сечение питающих кабелей.

Оптимизация технико-экономической модели СЭС произведена методом критериального анализа путем решения двойственной задачи при положительной степени трудности d = 4.

На основании расчетов были получены критерии подобия и целевая функция относительных затрат:

Л = 0,0859/Ут,; (1,8137Л/?;Г 0,0234/!;!' +

4- 0,049/7' + 0,02856 (Л'гй/й)-;--'\ (12)

где 1-я — представлены в относительных единицах.

Уравнение (12) в обобщенной форме описывает вариант СЭС и позволяет непосредственно оценить технико-экономическую устойчивость СЭС. Так, СЭС более чувствительна к изменению числа N и уменьшению I. Для рудника «Молибден» Тырныаузского ВМК. за счет оптимизации СЭС годовой экономический эффект составил более 72 тыс. руб., что подтверждает целесообразность использования разработанной методики для других ГОКов отрасли.

Проведенными исследованиями на обогатительных фабриках ГОКов установлено, что около 60% потребления электроэнергии приходится на процесс измельчения руды. Снижение удельного расхода электроэнергии при процессе измельчения руды на обогатительных фабриках может быть получено за счет интенсификации работы мельниц типа ММС и МШР. Исследованиями установлено, что существует оптимальная область производительности мельниц, в пределах которой не происходит нарушения технологического процесса.

Для исследования энергетических характеристик электроприводов мельниц разработана специальная методика на базе теории планируемого эксперимента. В качестве факторов, оказывающих 'влияние па 'потребление электроэнергии, использовались: С—шаровая загрузка мельниц (только для мельниц типа МШР), <2— производительность мельниц, К —крепость измельчаемой руды (только для мельниц типа ММС), у — плотность слива пульпы классификатора. Поскольку для мельниц каждого типа учитывалось по три фактора, то в работе использована матрица полного факторного эксперимента (ПФЭ) типа 23.

На основе проведенных экспериментальных исследований были получены аналитические выражения для определения удельного расхода электроэнергии для модели ПФЭ 23 в виде полиномов первой степени:

для мельниц типа ММС—70x23

= -7,02 + 0,34 Л",, + 1,52Т + — (1520- 10,4/Ср - 1,877);.

<3

для мельниц типа МШР—36x50 ш2 = 3,15 - 0,0746 + 1,23-; + — (1900 + 406 + 440? -

Полученные уравнения указывают на возможность уменьшения со за счет увеличения С?.

Определение экономического эффекта вследствие .интенсификации работы мельниц производилось на основе статистических исследований. Анализ исходной выборки {С} показал, что она имеет распределение Грам'а-Шарлье и значительное число «выбросов» значений С^ <гпц. Интенсификация работы мельниц может обеспечиваться за счет исключения возможности работы с производительностью Qг<m(?. На основе расчета параметров усеченной выборки {<2'}е{ф}, в которой исключены все значения (¿¡<тд, получено аналитическое выражение для расчета экономии электроэнергии за счет устранения «выбросов»:

где Ь —коэффициент уравнения регрессии со = /((?);

т <)> тс} — средние выборок {(3'}, {С?};

Т — число часов работы мельниц за рассматриваемый период ¡времени;

т(} Т — объем переработанной руды.

В зависимости от вида руды в области оптимальной загрузки мельниц повышение загрузки мельниц на 1 т/ч приводит к снижению удельного расхода электроэнергии на величину Дсо = (0,12...0,53) кВт-ч/т.

Внедрение рекомендаций по интенсификации работы отделений измельчения на обогатительных фабриках ГОКов Северного Кавказа и Закавказья позволило получить за период 1983—1989 гг. суммарный экономический эффект в размере более 100 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе теоретического обобщения существующих н разработки новых положений системного подхода к анализу, расчету и прогнозированию потребления электроэнергии внесен важный вклад в методологию исследования производственно-энергетической системы горно-обогатительных комбинатов и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение—повышение эффективности использования электроэнергии в горнорудной промышленности цветной металлургии СССР.

Основные научные и практические результаты, полученные в работе, могут быть сформулированы в виде нижеследующих положений.

1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследовании разработана концепция системного подхода применительно к анализу и прогнозированию потребления электроэнергии в горнорудной промышленности и предложена классификация уровней системного анализа как общая методологическая основа для /комплексного решения вопросов повышения эффективности использования электроэнергии па горно-обогатительных комбинатах.

2. Разработана методика профессионально-логического исследования потребления электроэнергии, включающая морфологическое описание производственно-энергетической системы (ПЭС) ГОКа, экспертные оценки и кластерный анализ электропотребления, позволяющая уменьшить неопределенность ПЭС ГОКа и дать количественную оценку влияния производственных показателей подсистем ГОКа на потребление электроэнергии.

3. Составленное морфологическое описание ПЭС ГОКа позволяет охватить проблему электропотреблепия на ГОКе и его подсистемах в целом, вскрыть внутреннюю структуру ПЭС, выявить качественное многообразие причинно-следственных связей и в методологическом плане является первоосновой системного подхода для количественной оценки влияния производственных показателей ПЭС ГОКа на потребление электроэнергии.

4. Обоснованы качественный и количественный состав экспертов, выбор семибалльной экспертной оценки, разработаны специальные анкеты для экспертных оценок электропотреблепия по подсистемам ГОКа, получено аналитическое выражение для определения взвешенной усредненной групповой оценки каждого показателя ПЭС ГОКа, учитывающей удельный вес эксперта.

Разработана методика статистического анализа эксперт-пых оценок потребления электроэнергии, позволившая оценить 'их значимость по принятым в работе значениям коэффициентов ранговой корреляции Спирмена р>0,7 и конкор-дации (Кендалла №>0,3.

5. Разработана на основе распределения сумм рангов и матрицы расстояний методика кластерного анализа эксперт-пых оценок потребления электроэнергии, позволяющая формализовать процедуру отбора слабокоррелированных между собой значимых показателей ГОКа, оказывающих наибольшее влияние на потребление электроэнергии и тем самым обоснованно сократить размерность последующего функционального анализа потребления электроэнергии. Кластерный анализ потребления электроэнергии по рудникам, карьерам, обогатительным фабрикам позволил выявить, с одной стороны, наличие в кластерах таких важных показателей, как объем добычи и переработки руды, входящих в аналитические

выражения по расчету удельного расхода электроэнергии, что подтверждает правильность методики кластерного анализа и результатов расчета; с другой стороны, он 'Позволил -выявить ряд важных неоднозначных, слабокоррелированных между собой показателей .(система рудничного электровозного транспорта, надежность системы электроснабжения карьера, производительность труда по добыче, фондоотдача основного оборудования, себестоимость переработки руды), совокупность -которых отражена в математической модели обобщенного показателя эффективности использования электроэнергии па ГОКе.

6. Разработана математическая модель нового обобщенного показателя эффективности использования электроэнергии в виде объемного функционала -важнейших производственно-экономических показателей ГОКа, позволяющего оценивать -величины максимальной мощности -и удельного расхода электроэнергии при существующих на предприятиях уровнях производительности труда и фондоотдаче.

7. Обобщенный .показатель является чувствительным к автоматизации производственных процессов и внедрению новых технологий, позволяет анализировать и целенаправленно проводить работу по повышению эффективности использования электроэнергии на всех 'уровнях производства; разработана методика -расчета и прогнозирования индексов обобщенного показателя, позволяющая в динамике оценивать уровень эффективности использования электроэнергии как между отдельными предприятиями, так и по отрасли в целом, определять, целенаправленно разрабатывать и внедрять организационно-технические мероприятия по улучшению энергетических и производственных показателей.

8. На основе статистических исследований установлена закономерность анаморфозы нормального распределения максимальных нагрузок ГОКа, характеризующаяся значимым коэффициентом асимметрии Ах<—0,5, и решена задача по расчету и прогнозированию максимальной нагрузки ГОКа; выявленная закономерность позволила теоретически обосновать и разработать на основе статистических данных выборки нормально-усеченного закона распределения нагрузок новую, более точную по сравнению с существующими методику расчета максимальной 30-минутной мощности, позволяющую уменьшить необоснованную переплату за договорной (заявляемый) максимум мощности; подтверждена хорошая согласованность -расчетных и фактических значений максимальной мощности, относительная ошибка в расхождении значений не превышает 5%-

9. Анализ ¡методов прогнозирования максимальной мощности позволил уточнить, что трендовые модели (метод коэффициентов темпов роста и метод наименьших квадратов) дают

относительную ошибку прогноза (10—20%). В работе решена задача прогнозирования коротких временных рядов с числом членов ряда па основе модели авторегрессии за счет уточнения значения максимальной задержки автокорреляционной функции К=М—1; за счет увеличения числа членов ряда н .повышения порядка модели авторегрессии относительная ошибка прогноза может быть уменьшена до 1%.

10. На основе статистических и экспериментальных исследований энергетических характеристик оборудования получены аналитические зависимости между удельным расходом электроэнергии и технологическими показателями добычи и переработки руды и разработаны научно обоснованные удельные нормы расхода электроэнергии по подсистемам ГОКа, которые дополнили существующие, позволили улучшить контроль и управление электропотреблением на ГОКах.

11. Анализ зависимости потребления электроэнергии от производительности основного технологического оборудования ГОКов показал, что коэффициенты корреляции этих величин при уровне значимости 0,05 меняются в пределах 0,2—0,7, коэффициенты использования технологического оборудования по производительности—в пределах 0,3—0,6; эти значения свидетельствуют о возможности и необходимости интенсификации работы основного технологического оборудования предприятий.

На основе теории планируемого эксперимента определены область наибольших значений КПД работы мельниц измельчения и допустимая граница интенсификации работы мельниц измельчения обогатительных фабрик, которая на (10—25%) повышает среднюю фактическую производительность мелыпщ; получены новые аналитические зависимости в виде полинома между удельным расходом электроэнергии и технологическими факторами .процесса измельчения; в области оптимального КПД мельниц типа ММС и МШР повышение производительности на ! т/ч приводит к уменьшению удельного расхода электроэнергии в 'пределах 0,12... 0,53 .кВт-ч/т для разных видов руды. Проведенный критериальный анализ разработанной технико-экономической модели системы электроснабжения (СЭС) электровозного транспорта рудников позволил оптимизировать параметры системы (длину участка контактной сети, количество тяговых .подстанций, сечения контактного провода и питающих кабелей) и получить значительный экономический эффект путем снижения капитальных затрат па сеть и сокращения потерь электроэнергии за счет увеличения сечения контактного провода. Разработана методика анализа и синтеза вероятностных оценок аварийного состояния в СЭС карьеров, на основе которой даны теоретическое обоснование и расчет матричной модели обобщенного критерия надежности СЭС, позво-

ляющего дать количественную оценку мероприятиям по повышению уровня технической эксплуатации СЗС, в том числе внедрению селективной релейной защиты.

12. Результаты диссертационной работы в виде рекомендаций, методик по расчету и прогнозированию максимальных нагрузок, удельного расхода электроэнергии, по оптимизации и повышению надежности систем электроснабжения частично внедрены на Тырныауском ВМК, Маднеульском ГОКе, Садонском СЦК-

Методики экспертных оценок, кластерного анализа электропотребления, расчета и прогнозирования максимальной '.мощности и разработанный по ним пакет прикладных программ для ЭВМ внедрены в государственных проектных институтах «Гипромез», «Кавказгипроцветмет», «Тяжпромэлектро-проект» (Волгоградское отделение), ПОЭиЭ «Савкавказэнер-го».

Суммарный экономический эффект от частичного внедрения результатов диссертационной работы на ГОКах Северного Кавказа и Закавказья за период 1983—1989 гг. состав-яет 510 тыс. руб.

Основные положения диссертации освещены в нижеследующих печатных публикациях:

1. Васильев И. Е. К вопросу об использовании параметров переходного процесса однофазного замыкания на землю в карьерных сетях 6 кВ для создания универсальных устройств защиты.— В сб. науч. тр.: Электрификация горных работ.— М.: МГИ, 1968, с. 76—82.

2. Васильев И. Е., Щуцкий В. И. Обобщение опыта применения защитных устройств в шахтных электросистемах напряжением выше 1000 В.—М.: ЦНИЭИуголь, 1968,— 55 с.

3. Щуцкий В. И., Васильев И. Е. Исследование параметров электрических сетей напряжением выше 1 кВ открытых горных разработок в установившемся и переходном режимах однофазного замыкания на зем-лго//Известия вузов. Энергетика.— 1969.— № 9.— С. 7—11.

4. Бородин Н. И., Васильев И. Е., Гущин Н. Я. Исследование параметров изоляции электрической сети 6 кВ рудника «Молибден»//Известия вузов. Горный журнал.— 1972.— Л» 12.— С. 64—65.

5. Васильев И. Е. Направленная токовая защита от однофазных замыканий на землю в электрических сетях напряжением выше 1000 В горнорудных предприятий: Тез. докл. I Всесоюз. науч.-техн. коиф.: Электробезопасность на горнорудных предприятиях черной металлургии СССР. Днепропетровск, 1975, с. 102—104.

6. Васильев И. Е., Гущин Н. Я. Расчет мертвой зоны направленной токовой защиты от однофазных замыканий на землю в разомкнутых разветвленных сетях напряжением выше 1 кВ горнодобывающих предприя-тпй//Известш1 вузов. Горный журнал.— 1976.— № 10.— С. 118—120.

7. Васильев И. Е. Эффективность прогрессивного тарифа оплаты электроэнергии на горных предприятиях: Тез докл. И Rrri-ою? науч.-техн. сем.: Повышение надежности и электробезопасности систем электроснабжения горнорудных предприятий. Качкаиар, 1979, с. 9—10.

8. Чеботаев Н. И., Васин А. А., Васильев И. Е. О надежности работы устройств защиты от однофазных замыканий па землю в условиях переходных процессов.— В кн.: Электробсзопасность на горных предприя-

тиях черной металлургии СССР: Тез. докл. II Всееоюз. конф. Днепропетровск, 1979, с. 103—105.

9. Васильев И. Е. Расчет величины заявляемой мощности горно-металлургического комбината: Тез. докл. Всесоюз. науч.конф.: Снижение потерь в электроэнергетических системах. Баку, 1981, с. 169—170.

10. Васильев И. Е. Вероятностная модель оценки оптимальной величины заявляемой 30-минутной активной мощности по допускаемому риску. Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф.: Моделирование электроэнергетических систем. Баку, 1982, с. 179—180.

11. Васильев И. Е., Васин Л. А., Гущин Н. Я. Расширение области селективного действия простой токовой защиты от однофазных замыканий на землю п карьерных распределительных сетях — В кн.: Электробезопасность на открытых и подземных горных работах.— Днепропетровск, 1982, с. 201—203.

12. Васильев И. Е., Васин А. А. Влияние послеаварийного режима однофазного замыканий на землю на надежность работы земляной защиты карьерных распределительных сетей.— В кн.: Электробезопасность на открытых и подземных горных работах.— Днепропетровск, 1982, с. 206—208.

13. Васильев Е. Е., Гущин Н. Я. Применение устройств непрерывного измерения параметров сопротивления изоляции карьерных сетей 6 кВ: Тез. докл. II Всесоюз. науч.-техн. конф.: Электробезопасность на горнорудных предприятиях черной металлургии СССР. Днепропетровск, 1982, с. 87—88.

14. Васин А. А., Васильев И. Е. Исследование переходных процессов на аналоговой модели электрических сетей 6—35 кВ горнорудных предприятии.— В кн.: Моделирование электроэнергетических систем: Тез. докл. VIII Всесоюз. конф. Баку, 1982, с. 286.

15. Васильев И. Е., Гущин Н. Я. Расчет мертвой зоны направленной токовой защиты от однофазных замыканий на землю в разомкнутых разветвленных сетях напряжением выше 1000 В//Известия вузов. Горный журнал,—1976,—№ 10,—С. 118—121.

16. Васильев И. Е., Гущин Н. Я. Сравнительная оценка уровня изоляции карьерных электрических сетей напряжением выше 1000 В с изолированной неитралью//Горный журнал.—№ 3.—1982.— С. 96—99.

17. Васильев И. Е., Губарев А. А., Щуцкий В. И. Вероятностный расчет и прогнозирование 30-минутпой заявляемой активной мощности для горно-обогатительных предприятий: Тез. докл. науч.-техн. конф.: Повышение эффективности электроснабжения горных и металлургических предприятий. Челябинск, 1983, с. 42.

18. Васильев И. Е. Допустимый риск I и II рода п методике вероятностного расчета оптимальной величины заявляемой мощности//Известия вузов. Электромеханика.—1983.—№ 12.— С. 40—42.

19. Васильев И. Е., Васин А. А. Оценка граничных условий при расчете второй степени защиты от однофазных замыканий на землю в КРС 6—10 кВ//Известия вузов. Горный журнал.—1983.—№ 12.— С. 52—55.

20. Васильев И. Е. Статистическая оценка показателей эффективности использования электроэнергии на ГОК МЦМ: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф: Пути экономии и повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта: Казань, 1984, с. 55—56.

21. Васильев И. Е, Энеев М. У. Расчет удельного расхода и экономии электроэнергии при регулировании производительности мельниц обогатительной фабрнки//Промышленная энергетика.—1985.—Л? 5.— С. 47—49.

22. Васильев И. Е. Методика прогнозирования максимума получасовой мощности горнообогатительных комбинатов//Известня вузов. Электромеханика.—1985.—Л» 7,—С. 11 — 15.

23. Васильев И. Е., Котляров С. В., Губанов А. А. Повышение эффективности рудничного электровозного транспорта путем оптимизации пара-

метров систем электроснабжения//Известия пузов. Горный журнал.— -1986,—№ 9,—С. 52—56.

24. Васильев И. Е., Кирпичева С. И. Оценка экономической эффективности н интенсификации работы мельниц типа МШР//Известня вузов. Цветная металлургия.— 1986.—Л» 6.— С. 101 —103.

25. Васильев И. Е. О двух методиках расчета затрат на прогнозируемый максимум нагрузки ГОК//Известия вузов. Энергетика.—1987.—№ 6.— С. 114—117.

26. Васильев И. Е., Котляров С. В. Применение критериального анализа в математической модели систем электроснабжения (СЭС) открытых горных работ: Тез. докл. IX Всесоюз. науч. конф.: Моделирование электроэнергетических систем. Рига, 1967, с. 21,3—214.

27. Васильев И. Е. Морфологический анализ и описание электроэнергетической системы горно-обогатительного комбината.— Межвузовск. сб. науч. тр.: Электроснабжение и электропривод горных предприятий. Кемерово, 1987, с. 59—64.

28. Васильев И. Е. Априорный статистический анализ экспертных оценок влияния технико-экономических показателей ГОК на потребление электроэнергии.— Межвузовск. сб. науч. тр.: Электроснабжение и электропривод. Кемерово. 1988, с. 68—75.

29. Васильев И. Е., Кирпичева С. И. Расчет потребляемой электроприводом мельниц .мощности с помощью метода планирования эксперимента// Известия вузов. Горный журнал.—1990.—№ 4,—С. 88—102.

30. Васильев И. Е., Данилиди Г. И., Косинцев В. А. Определение энергоемкости экскавации горной массы и целесообразность ее снижешь/Известия вузов. Горный журнал.—1990.—№ 8.— С. 46—48.

31. Васильев И. Е. Использование кластерного анализа для определения приоритетных направлений повышения уровня использования электроэнергии в горнорудной промышленности: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф.: Повышение эффективности и качества электроснабжения. Мариуполь, 1990, с. 68.

32. Гордеев В. И., Васильев И. Е., Щуцкий В. И. Регулирование электропотребления и его прогнозирование.— Ростов-на-Дону: Ростовский ГУ, 1991,—104 с.

33. А. с. 202322 (СССР). Способ измерения полной проводимости изоляции и ее активной, емкостной составляющей сетей с изолированной нейтралью/И. Е. Васильев, X. М. Усманов, Я. М. Ковальчук.— Опубл. в Б. И., № 19, 1967.

34. А. с. 205943 (СССР). Метод определения полной проводимости изоляции и ее составляющих — активной и емкостной — в электрических сетях с изолированной нейтралью включением дополнительной проводимости между нейтралью и землей/И. Е. Васильев, X. М. Усманов, Я. М. Ковальчук,—Опубл. Б. И„ № 24, 1967.

35. А. с. 570948 (СССР). Устройство для селективной токовой защиты от однофазных замыканий на землю радиальных линий с большим собственным емкостным током/И. Е. Васильев, А. А. Васин, Н. Я. Гущин.— Опубл. в Б. II., ЛЬ 32, 1977.

Формат 60X90/16 Заказ № 552

Подписано в печать 19.09.1991 г.

Объем 2 п. л.+ 2 вкл. Тираж 120 экз.

Типография Московского горного института. Ленинский проспект, д. 6